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無刷直流電動機設(shè)計—(論文)-文庫吧資料

2024-12-15 08:53本頁面
  

【正文】 發(fā),都提供了完善的硬件和軟件支持,包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。 (6)驅(qū)動能力強 PIC系列單片機 I/O端口驅(qū)動負載的能力較強,每個輸出引腳可以驅(qū)動多達 2025mA的負載,既能夠高電平直接驅(qū)動發(fā)光二極管 LED、光電 耦合 器、小型繼電器等,也可以低電平直接驅(qū)動,這樣可以大大簡化控制電路。 (4)指令特色 PIC系列單片機的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡單和代碼壓縮率高等優(yōu)點。RISC技術(shù)并非只是簡單地去減少指令,而是著眼于如何改善計算機的結(jié)構(gòu),更加簡單合理地提高計算機的運算速度。 (2) 哈佛總線結(jié)構(gòu) 如圖 34所示, PIC系列單片機在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu) 的基礎(chǔ)上采用獨特的哈佛總線結(jié)構(gòu),徹底將芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分離,為采用不同的字節(jié)寬度,有效擴展指令的字長奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 PIC系列單片機具有如下特點 : (1)單片機種類豐富 PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積,而是從實際出發(fā),重視產(chǎn)品的性能與價格比,靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求。使之具有卓越的性能,代表著單片機發(fā)展新的潮流。 PIC單片 機以其獨特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計,逐漸被廣大工程設(shè)計人員接受 Microchip公司是一家集開發(fā)、研制和生產(chǎn)為一體的專業(yè)單片機芯片制造商,其產(chǎn)品綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的思路,具有很強的技術(shù)特色??紤]到該設(shè)計要與市場接軌,因此價格問題尤為重要,要選擇一個性價比較高的單片機,包括單片機的單片價格和開發(fā)系統(tǒng)的造價。電子產(chǎn)品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié),作為控制系統(tǒng)的核心,單片機的安全性必須達到系 統(tǒng)要求。在無刷電機控制中,脈寬調(diào)制 PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)廣泛應(yīng)用,因此所選單片機應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。通過對該系統(tǒng)分析, 8位單片機可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。本設(shè)計采用 PIC16F72單片機作為主控芯片,不僅可以實現(xiàn) 專用控制芯片 MC33035的全部功能,而且容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展,通過軟硬件設(shè)計,實現(xiàn)多功能的電機控制。 自舉電路原理 圖 33 驅(qū)動電路 以一 相為例, 如圖 33所示 , 當(dāng)下管導(dǎo)通上管截止 時, IR2110LO輸出為高, HO為低,隔離二極管導(dǎo)通,自舉電容 C8充電,三極管 C極電壓近似等于電源正極電壓;當(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時,隔離二極管 D2截止,自居電容 C8儲存的電荷給三極管 C極供電, IR211HO為高,三極管導(dǎo)通,驅(qū)動 MOSFET管柵極 ,使上管保持導(dǎo)通。輸出驅(qū)動 MOSFET接成源極跟隨器,另一只輸出驅(qū)動 MOSFET接成共源極電路,高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動 HV電平轉(zhuǎn)化器并觸發(fā) RS閂鎖置位或復(fù)位。 低端延時電路可簡化控制脈沖定時要求,兩路輸出的傳播延時匹配的。邏輯輸入采用帶有 施密特觸發(fā) 電路, 以提高抗擾能力。 19 當(dāng) VDD低于欠電壓閥值時,欠電壓 UV檢測電路關(guān)閉兩路輸出。 HO和 LO輸出分別與 HIN和 LIN輸入同相位。高端輸出 HO和低端基準(zhǔn)輸出 LO分別以浮置電位 VBS和固定電位 Vcc為基準(zhǔn)。其推薦典型工作參數(shù)如表 32所示 。 IR2110 浮置電源采用自舉電路 ,其高端工作電壓可達 500 V ,工作頻率可達到 500 kHz。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上 ,容許邏輯電路參考地 (USS) 與功率電路參考地 (COM) 之間有 5 V和 + 5 V 的偏移量 ,并且能屏蔽小于 50 ns 的脈沖 ,這樣有較理想的抗噪聲效果。 17 逆變開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計 IR2110 功能介紹 (1) IR2110 的特點有:輸出驅(qū)動隔離電壓可達 500V;芯片自身的門輸入驅(qū)動范圍為 10~20V;輸入端帶施密特觸發(fā)電器;可實現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動輸出,可驅(qū)動高壓高頻器件,如 IGBT、功率 MOSFET 等,且 工作頻率高可達500KHz , 開通 、 關(guān)斷延遲小,分別為 120ns 和 94ns; 邏輯電源的輸入范圍(腳 9) 5~15V,可方便的與 TTL, CMOS 電平相匹配 。 電樞額定電流 IaH=, 因為每個控制元件導(dǎo)通 120o,所以控制元件的峰值電流可以由 以 下方程算出。 近年來由于 MOSFET元件的性能逐漸提升,除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號處理的場合上,也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用 MOSFET來實現(xiàn) 。由于采用自控式逆變器, 無刷直流電動機 輸入電流的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步,電機和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步,這也是 無刷直流電動機 的重要優(yōu)點之一。 15 第 3章 無刷直流電動機硬件設(shè)計 逆變主電路設(shè)計 功率開關(guān)主電路 圖 31 功率開關(guān)主電路 原理 圖 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換 成交流電向電機供電。 ( 3)位置傳感器 位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用,為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息 。 14 ( 2) 功率驅(qū)動單元 主要包括功率開關(guān)器件組成的三相 全 橋逆變電路和自舉電路。 無刷直流電動機控制系統(tǒng)組成框圖 基于 的考慮 ,可繪出無刷直流電動機控制系統(tǒng)框圖 ,如圖 21所示 : 圖 21 電動機驅(qū)動控制框圖 ( 1)微控制器 主要功能是根據(jù)電動機旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個輸出信號,將它們處理成功率 驅(qū)動單元 的 六個功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動順序。當(dāng)前,國內(nèi)外對無刷直流電機無位置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。 無刷電機控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。 近幾年,國外一些大公司紛紛推出較 MCU性能更加優(yōu)越的 DSP(數(shù)字信號處理器 )芯片電機控制器,如 ADI公司的 ADMC3xx系列, TI公司的 TMS320C24 系列及 Motorola公司的 DSP56F8xx系列,都是由一個以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核,配以電機控制所需的外圍功能電路,集成在單一芯片內(nèi),使體積縮小,結(jié)構(gòu)緊湊,使用便捷,可靠 性提高。該控制系統(tǒng)的缺點是智能性差,保護措施有限,系統(tǒng)升級空間小。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下,提 高電機和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護電機及蓄電池,以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能。 電機控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心,它主要完成以下功能 :對各種輸入信號進行邏輯綜合,為驅(qū)動電路提供各種控制信號 。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。目前,數(shù)字調(diào)速系統(tǒng) 主要采用兩種控制方案 :一種采用專用集成電路。 12 無刷直流電動機 控制 系統(tǒng) 設(shè)計 方案 設(shè)計方案比較 無刷直流電動機兼有直流電動機調(diào)整和起動性能好以及異步電動機結(jié)構(gòu)簡單無需維護的優(yōu)點,因而在高可靠性的電機調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。 ( 3)對電動機進行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié),使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能。 4.控制器 控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心,它主要完成以下功能: ( 1)對轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的信號、 PWM調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進行邏輯綜合,為驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波信號和選通信號,實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn) 及停車控制。因此,國內(nèi)外對無刷直流電動機的無位置運行方式給予高度重視。 在無刷直流電動機 系統(tǒng)中安裝機械式位置傳感器解決了電機轉(zhuǎn)子位置的檢測問題。 轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成,其轉(zhuǎn)子與電機本體同軸,以跟蹤電機本體轉(zhuǎn)子磁極的位置;其定子固定在電機本體定子或端蓋上,以檢測和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。 3.位置檢測器 位置檢測器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對與定子繞 組的位置信號,為逆變器提供正確的換相信息。橋式主電路所用的開關(guān)管比半橋式 多一倍,成本要高;多相電動機的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本也高。 11 ( 3)電路成本。 無刷直流電動機 的輸出轉(zhuǎn)矩脈動比普通直流電動機的轉(zhuǎn)矩脈動大。從這個角度來看,三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。 與普通直流電動機不同, 無刷直流電動機 的繞組是斷續(xù)通電的。不同的組合使電動機產(chǎn)生不同的性能和成本 。 2.逆變器 目前 , 無刷直流電動機 的逆變器主開關(guān)一般采用 IGBT或功率 MOSFET等全控型器件,有些主電路已有集成的功率模塊( PIC)和智能功率模塊( IPM),選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。 定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動機或感應(yīng)電動機相同,鐵心中 嵌有多相對稱繞組。所以 無刷直流電動機 的電機本體實際上是一種永磁同步電機。 1. 電機本體 無刷直流電動機 最初的設(shè)計思想來自普通的有刷 直流電動機 ,不同的是將 直流電動機 的定子、轉(zhuǎn)子位置進行了互換,其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu),產(chǎn)生氣隙磁通;定子為電樞,有多相對稱繞組。隨著無刷直流電動機應(yīng)用范圍的擴大,智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。目前,專家 系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個最主要的理論和方法。 9 ( 2) 智能控制。 存在轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機的固有缺點,特別是隨著轉(zhuǎn)速升高,換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動加劇,并使平均 轉(zhuǎn)矩顯著下降。 但 現(xiàn)有方法都存在各自的局限性,仍在不斷完善之中。 2 定子三次諧波檢測法。在很多應(yīng)用場合,例如空調(diào)器和計算機 外設(shè)都要求無刷直流電動機以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運行。 目前 , 無刷直流電機 的研究主要集中在以下方面: ( 1) 無機械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大,可產(chǎn)生很大的氣隙磁通,這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑,減小轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)動慣量,因而在要求有 良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,如數(shù)控機床、機器人等應(yīng)用中,無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優(yōu)越性。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天,無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值。 8 無刷直流電動機的應(yīng)用與研究動向 現(xiàn)階段 ,雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位,但無刷直流電動機正受到普遍的關(guān)注。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如 圖 15所示 。 7 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和 斜率 分別為: 0 2 2e TTrTUUC ???? ( 12) 1eK C ??? ( 13) 從機械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出,無刷直流電動機與一般直流電動機一樣,具有良好的調(diào)速控制性能,可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調(diào)速 。 圖 13 機械特性曲線簇 當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時,流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大,這時,管壓降隨著電流增大而增加較快,使在電樞繞組上的電壓有所減小,因而圖所示的機械特性曲線會偏離直線,向下彎曲。 5 圖 12 無刷電動機位置檢測及開關(guān)管驅(qū)動信號 表 12 無刷電動機直流通電控制方式開關(guān)切換表 旋轉(zhuǎn)方向 位置傳感器 逆變橋開關(guān)管驅(qū)動信號 A B C T1 T2 T3 T4 T5 T6 正轉(zhuǎn) 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 反轉(zhuǎn) 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 6 無刷直流電動機的運行特性 機械特性 無刷直流電動機的機械特性為: 22 2 2 2S T a s T ee e e tU U r I U U rnTC C C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ( 11) UT開關(guān)器件的管壓降 Ia電樞電流 Ce電機的電動勢常數(shù) 每級磁通量 可見無 刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特 性表達式相同,機械特性較硬。同理,其他開關(guān)管的導(dǎo)通時刻也可以按同樣方法確定。 理論上,只要保證三個位置傳感器在空間上互差 120度,開關(guān)管的換流時刻總是可以推算出來的。 2.無刷直流電動機與輸出開關(guān)管換流信號 無刷直流電動機的位置一般采用三個在空間上相隔 120電角度的霍爾位置傳感器進行檢測,當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時,傳感器的輸出電平將發(fā)生改變,由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置在空間上各差 120電角度,因此從這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差120度、寬度為
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